成像光谱

成像光谱（精选十篇）

成像光谱 篇1

传统目标识别中采用的图像识别[1]受环境光、目标光等影响较为明显,对于伪装目标或者颜色相似的目标难以区分[2]。而偏振成像技术是通过偏振光区分目标与背景,由于非合作目标的退偏振能力通常较强,故识别目标的效果就会很好。在此基础上,将不同偏振角得到的图像融合到一起,就能获得信噪比很高的目标图像。

偏振光谱目标识别技术主要有光栅型、傅里叶变换型、液晶调制型和声光调制型[3,4,5]。其中,光栅型的核心元件是偏振光栅,其结构简单、光谱分辨率高,但光栅对光存在一定的限制,光通量小,户外测试效果不佳[6,7]。傅里叶变换型的核心部件是傅里叶变换干涉仪,通过加入可变相位延迟器实现对不同偏振角的二维图像的采集,由于每次只能获取一个偏振角的二维图像,所以扫描时间长,如果光谱扫描也采用时间扫描则速度更慢[8]。液晶调制型的核心器件是晶体、电调制器以及步进电机,通过选择不同的窄带滤光片实现不同波长的调制,其缺点也是速度慢且机械部件的稳定性差[9]。声光调制型的核心部件是声光晶体,其工作原理与电调制相近,优点是体积小、无机械部件,但光谱分辨率较差[10]。

1 目标识别系统

目标识别系统如图1所示,系统组成包括前置光学系统、分光棱镜、起偏器、沃拉斯顿棱镜组、检偏器、成像CCD1、静态干涉具、聚焦透镜及成像CCD2。光入射系统后,由分光棱镜分为两部分,一部分进入偏振系统,另一部分进入光谱系统。偏振系统获取的图像具有偏振信息,同样,光谱系统获取的图像具有光谱信息。再将偏振数据与光谱数据进行图像融合处理,最终得到目标的偏振光谱合成图像。

1.1 偏振数据获取

由斯托克斯参量法[11]完成目标区域偏振角的计算,斯托克斯矢量可表示为S1、S2、S3、S4。则其矢量有:

式中,I表示光强,Q和U分别表示偏振分量,V表示圆偏振分量。

目标光进入沃拉斯顿棱镜组后,光的偏振态被重新分布,其偏振态对应的穆勒矩阵可以写成:

式中,Sd表示CCD1对应的斯托克斯矢量,St表示目标方向斯托克斯矢量,M表示系统的光学穆勒矩阵。

1.2 光谱数据获取

光谱数据获取利用傅里叶变换干涉具实现,M1、M2都是反射面,而M2具有一个角度α,则其干涉具有空间分布性。

如图2的三角函数关系可知,光线1入射A点,经反射至B点,透射至C点,最终与光线2相干形成干涉条纹,光程为:

故光程差为:

由于α很小,则cos2α≈1,则有:

式中,n为晶体折射率,x′为任意位置。

光谱分辨率为:

式中xm′表示成像尺寸。

通过以上计算得到光谱分辨率为△λ的光谱图像,并成像在CCD2上。此图像与偏振系统获得的偏振图像进行图像融合获得清晰的目标图像。

2 实验

2.1 探测条件

实验选择2.0 m×2.0 m钢板(涂军绿漆)和某型火炮作为目标,测试距离从0.1 km~2.0 km,而测试标定波长为0.40μm~0.90μm。

2.2 测试结果分析

对目标偏振光的信号平均值与非偏振光信号平均值进行了比较。在偏振系统中,目标信号强度可表示为I钢板|偏振,而背景噪声强度可表示为I噪声|偏振,其信噪比可表示为SNR|偏振;在无偏振条件下,目标信号强度可表示为I钢板|非偏振,背景噪声强度可表示为I噪声|非偏振,其信噪比可表示为SNR|非偏振。则不同距离下偏振与非偏振信噪比对比结果如表1所示。

采用偏振系统的信噪比明显优于非偏振系统,同时偏振系统受距离的干扰也小很多。所以,偏振系统可以在较大范围内保持较高的信噪比。与此同时,标准钢板的信噪比要比火炮高很多,因为标准钢板实际上是一个很好的偏振光反射面,火炮的表面相对要差一些,将整个范围内的数据进行数据拟合可以得到其整体分布,如图3所示。2个目标的信噪比都会由于距离的增大而减小,但2.0 km内偏振系统的信噪比均值在0.35左右,具有较高检出性;而非偏振型超过0.4 km后几乎无法识别。

2.3 偏振光谱图像融合

将偏振系统的偏振图像与光谱系统的光谱图像进行融合处理,即可获得偏振光谱合成图像,如图4所示。图4(a)的图像结果是由传统可见光识别系统得到的光强灰度图像,而图4(b)是由本系统将偏振图像与光谱图像融合后得到的合成图像。采用偏振光谱成像技术的目标信噪比得到了大幅提升。目标光信号与背景噪声光的振幅比明显,具有很好的识别效果。测试过程中,随着距离的增大,光强型的识别图像渐渐地淹没在噪声中,而采用偏振光谱型在2.0 km内,合成图像基本保持一致,具有较高的鲁棒性。

3 结论

本文研发了一种可以用于户外的目标识别系统,该系统具有偏振识别模块和光谱识别模块两大部分,可以同时获取并进行处理。在图像融合的基础上,获得目标的合成图像,该图像具有信噪比高、受距离影响小等优势,在户外实时目标识别领域具有一定的实用价值。

摘要：设计了高光通量的光学天线、偏振模块及干涉模块的目标识别系统。通过偏振光谱成像技术,在同一视场内同时获取多个偏振方向的光谱图像,再通过图像融合算法重建目标的偏振光谱图像。在不同距离上对钢板及某型火炮进行测试,分别采用本系统与传统非偏振系统获取目标信号。结果显示,基于偏振光谱的目标识别系统信噪比高、探测距离远,与传统方法相比,本系统的目标合成图像清晰可见,抗干扰性更高,具有很高的野外适应性及稳定性。

关键词：目标识别,偏振,图像融合,高信噪比

参考文献

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成像光谱 篇2

利用显微成像光谱仪对岩芯样品进行荧光显微成像,所得信息构成光谱成像立方体,从而同时采集到含油岩芯样品表面组构的空间信息和所含烃类的荧光光谱信息,克服了目前通用的显微荧光技术的.某些局限性,得到一定波长范围内岩芯表面荧光各波长的单色图像,利用相应的软件做进一步的数据处理,得到发光波长、发光强度及发光部位等多维信息,从而可以更直观、科学地揭示岩石中的石油烃类分布含量及岩石结构和构造等,对石油录井及油气水层的判别和评价具有重要的实用价值.

作 者：黄乔松 于肇贤 张林灿 张炜 杨渭 HUANG Qiao-song YU Zhao-xian ZHANG Lin-can ZHANG Wei YANG Wei 作者单位：黄乔松,杨渭,HUANG Qiao-song,YANG Wei(中国石油大学(华东)物理科学与技术学院,山东,东营,257061)

于肇贤,YU Zhao-xian(中国石油大学(华东)物理科学与技术学院,山东,东营,257061;北京信息工程学院,基础部,北京,100101)

张林灿,张炜,ZHANG Lin-can,ZHANG Wei(天津市九维光电科技有限公司,天津,300384)

成像光谱 篇3

关键词： 光栅型成像光谱仪； 畸变量； 图像拼接

引言20世纪80年代开始，成像光谱仪因能够获取高光谱分辨率景物或目标的高光谱图像，被广泛应用在航空、航天器上，从而对陆地、大气、海洋等进行观测[1]。成像光谱仪按分光方式的不同可分为光栅色散型、棱镜色散型、滤光片型、干涉型和计算层析型。光栅型成像光谱仪中不同采样步长的选择及不合理的拼接方法会导致目标图像的畸变，从而会影响成像光谱仪在探测目标时的准确性和精度，使图像信息缺失或者变形，造成探测误差。因此可以看出畸变是影响光谱测量精度的重要原因之一，通过合理的方法减小畸变就非常必要。1光栅型成像光谱仪成像原理色散型成像光谱仪工作原理如图1所示，目标物的反射光通过前置物镜成像在狭缝平面上，狭缝作为视场光阑使物体条带的像通过，挡掉其他部分光。目标物的条带像经准直物镜照射到色散元件上，经色散元件在垂直狭缝方向按波长（λ）色散，由成像物镜会聚成像在光谱仪像平面上的二维CCD探测器上。焦平面上平行于狭缝的水平方向，称为空间维，每一行像元对应于一个光谱波段的狭缝像；焦平面上垂直于狭缝方向，即色散方向，称为光谱维，每一列像元对应于狭缝上一个空间瞬时采样视场的不同波长的光谱像。这样，面阵探测器得到的每帧图像是与狭缝对应的目标条带区域的光谱图像数据。若让成像光谱仪相对目标运动，让前置物镜形成的目标像依次通过狭缝，同时记录狭缝的光谱图像，即得到目标的光谱图像三维数据立方体[2]。本文研究的光栅型成像光谱仪在扫描采样的过程中，为了获得准确的目标图像，必须对载物台的运动速度进行精确的控制。

本系统利用步进电机驱动载物台运动。因此，载物台的运动速度是通过对步进电机的转速控制来实现的，而步进电机的转速是由软件来控制。步进电机给定的步长数即采样步长直接影响到获得目标像的畸变量。由上所述的原理可知，由于目标在探测器上成像只有一列，因此必须通过扫描的方式才能得到目标景物的高光谱图像。光学仪器第35卷

第2期韩军，等：光栅成像光谱仪图像畸变校准方法研究

2拼接原理传统的块匹配法虽然精度高但存在速度过慢的缺点，本文应用了一种结合区域特征与小波变换的图像拼接方法，拼接流程如图2所示。

2.1图像预处理图像在采集过程中经常会受到光照明暗程度以及设备性能的优劣等因素的影响而导致同一时间、同一地点拍摄的图片在灰度值上的偏差，所以在后续处理前要对采集图像进行预处理。

2.2图像提取根据光栅型成像光谱仪的工作原理，某一通道的目标信息是通过对采集到的一系列图像中每一幅图像特定波长的狭缝像信息准确的提取和合成而来。

2.2.1通带宽度的确定为了获得一个通道的宽度，所以要选择单色光源，由于激光单色性好，本文选择波长为632.8 nm的HeNe激光器作为光源进行测量，读出光谱采样点，对采样数据点进行高斯拟合处理就可以确定其通带宽度。由于要提取的是某特定波长的通带信息，所以需对波长定标。

2.2.2波长定标由于所用仪器的光谱范围是400～900 nm，用低压汞灯作为标准光源来定标。由于在400～900 nm的可见光波段内的特征谱线有限，所以本文利用了二级光谱。选择404.656 nm，435.833 nm，546.073 nm一级光谱和730.966 nm，809.312 nm，871.666 nm二级光谱等6条特征光谱[3]进行波长定标。

2.3小波分解小波变换是时间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节[4]。

2.4区域特征的选取和融合规则主要研究基于区域的小波融合算法，选用平均梯度作为区域特征来构造新的融合算法，平均梯度用来衡量图像的清晰程度，由此来反映图像微小的细节反差。

2.5融合规则与算法利用相关系数的公式，采用循环式搜索与已经截下来的图片相关系数大于等于某一数值，一般都在相关系数大于等于0.9以上的模块或区域，然后进行相应的图像拼接。具体来说，该算法可以分为以下几个步骤：（1）对源图像进行二维小波变换，将源图像分解为表示低频信息的近似子图像和表示高频信息的细节子图像，细节子图像分为水平方向，垂直方向和对角线方向；（2）使用加权，平均的融合规则合并最后一个分解层的近似子图像，近似子图像是图像滤除细节信息所得，包含的是主要的背景信息；（3）对于细节子图像系列采用基于邻域平均梯度的融合规则；（4）一致性的检验。利用3×3或者5×5的窗口在融合后的图像上移动，通过窗口周围的像素来验证窗口中心的像素，如果中心像素取自源图像A的子图像，而周围的像素大部分取自源图像B的子图像，则把该中心像素改为对应的源图像B的子图像在该位置的系数；（5）重构图像。根据融合规则确定的各子图像进行小波反变换，重构出融合图像。3实验

3.1通带信息提取结果选择波长为632.8 nm的HeNe激光器作为光源进行测量，读出的光谱采样点，对采样数据点进行高斯拟合处理得出一个通带宽度占13个像元，如表1所示为光谱采样点数据。选择404.656 nm，435.833 nm，546.073 nm一级光谱和730.966 nm，809.312 nm，871.666 nm二级光谱等6条特征光谱[5]，实验采集到的特征波长和CCD探测单元的对应关系如表2所示。根据表2中的数据，采用最小二乘法进行拟合。 通过对线性拟合、二次拟合、三次拟合函数对已知波长误差的均方根比较可知，三次多项式拟合可达到较高的波长定位精度，因此对于光谱仪波长定标是采用三次多项式拟合的方法。图3为其中一幅狭缝像及提取信息后的图像，其中（a）为原始狭缝像。（b）为提取后的图像。

3.2小波分解效果图图4为小波分解后的三分量：

4结论本文介绍了一定采样步长不同拼接方法下校正光栅成像光谱仪图像畸变量的原理和方法。实验证明，基于区域和小波变换的拼接方法在采样步长为0.002 1°时分划板图像的畸变量得到了减小，实现了成像光谱仪图像畸变的修正。本文提出的方法有效地减小了成像光谱仪图像的畸变，提高了成像光谱仪在探测目标时的准确性和精度，避免了因图像信息缺失或者变形而造成的探测误差。参考文献：

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中波红外多光谱成像技术研究 篇4

多光谱成像技术是一种图谱合一的信息获取技术,不仅可以获取成像目标的几何形状信息,也可识别目标的光谱特征差异。目标、伪目标和背景之间的光谱特征具有差异,在各个光谱通道具有不同的光谱亮度。通过多光谱成像的目标/背景之间的对比度反差增大,可有效抑制背景杂波,分辨真假目标,提高系统目标识别能力[1,2]。多光谱成像技术已经在航空航天遥感领域得到了广泛地应用,应用领域包括:国土资源调查、森林防火、环境检测、海洋应用、农业估产等。遥感领域的多光谱成像技术主要是摇扫或者推扫成像,对于需瞬时成像的高速平台并不适用,该类平台需要多光谱成像技术可以瞬时获取整幅图像,并且具有较大的光学通量[3]。基于高速平台的多光谱应用,开展了中波多光谱成像技术研究,采用滤光片分光技术和高速滤光片轮控制技术,中波多光谱成像系统在中波红外波段获取四个光谱通道的红外图像。多光谱图像帧频达到25 Hz,满足高速平台实时获取多光谱图像的需要。

1 中波多光谱成像系统设计

1.1 构成和工作原理

如图1所示是中波红外多光谱成像系统的原理图。由红外光学系统、滤光片轮、红外探测器和多光谱信号处理模块构成。红外辐射经光学系统聚焦和滤光片轮分光后在红外探测器上成像。滤光片轮上放置四片窄带滤光片,通过滤光片轮的转动,红外探测器可以依次获取四个光谱通道的红外图像,经多光谱信号处理模块处理后就可以获取中波红外多光谱图像。

1.2 光谱波段选择

中波多光谱探测系统选用Sofradia公司320×256中波制冷型红外探测器,工作波段为3.7~4.8μm,中波多光谱探测系统将该工作波段分为四个光谱通道。

考虑3.7~4.8μm波段范围大气的吸收,中波多光谱的光谱通道划分避开大气吸收光谱,在大气窗口内根据探测器的敏感波段划分四个中波多光谱成像通道。通过对窄带滤光片的光谱透射曲线测试,中波多光谱成像系统的光谱采样间隔为0.2μm,光谱分辨力为0.21μm,满足系统的需求。

1.3 滤光片轮控制及探测器的时序配合

为获取帧频为25 Hz的多光谱图像,滤光片轮的转速设为1 500转/分。在每个滤光片轮转动周期内,探测器采集四幅红外多光谱图像,红外探测器的工作帧频为100 Hz。滤光片轮每转动一周,中波多光谱系统完成四个光谱通道的图像采集,通过图像融合可以获取帧频为25 Hz的多光谱图像。

在探测器采集图像期间,滤光片轮连续转动,光学系统光线落在滤光片上形成一个圆弧状光斑。滤光片轮的布局设计要避免各个光谱通道的混叠,在结构尺寸允许的情况下,通过增大滤光片轮的尺寸可以延长探测器的积分时间,从而提高系统的温度灵敏度。最终系统设计的滤光片轮布局可以使探测器积分时间最长调整为5.7 ms而不产生光谱混叠,最大限度提高系统的温度灵敏度。

滤光片轮的转速误差会导致各个通道之间的光谱混叠,必须提高滤光片轮的转速精度。通过数字MR编码器反馈电机的转速,使用PWM控制模块闭环控制电机转速,滤光片轮的转速精度优于8‰,可以避免滤光片轮快速转动中的光谱混叠。

探测器的图像采集要和各个光谱通道的滤光片位置精确配合,在滤光片轮上设置了霍尔器件以产生一个霍尔信号,传递给探测器接口电路,作为探测器图像采集的启动信号,探测器通过霍尔信号和滤光片轮转动同步,保证探测器采集的光谱图像和各个滤光片对应。

1.4 多光谱图像信号处理

多光谱信号处理模块要完成红外图像的非均匀性校正、直方图统计和图像格式编码等功能。由于多光谱各个通道的光通量差别比较大,给红外图像的非均匀性校正带来较大困难,在非均匀性校正过程中,要分别对每个光谱通道进行非均匀性校正。随后对多光谱图像进行直方图统计和图像格式编排,输出帧频25Hz的多光谱视频图像。

2 光谱通道的探测灵敏度分析

探测灵敏度是衡量红外系统性能的一个重要指标。对于中波红外波段,各个光谱通道的探测灵敏度由噪声等效温差(NETD)来表征[4]。NETD是一种实用的设计和分析指标,与系统的透过率和系统噪声等参数有关,能反映系统的热灵敏度特性,按如下公式计算:

其中:F为系统F数;(35)f为噪声等效带宽,(35)f=3/(4τd);o为光学透过率;D*为探测率;D0为入瞳直径;ω为瞬时视场立体角;Wλ(T)为光谱辐射度。

中波多光谱各通道的NETD受窄带滤光片光谱带宽以及滤光片的透过率影响。滤光片的透过率影响整个光学系统的透过率o,滤光片光谱带宽决定了微分辐射度的波长上下限。根据NETD公式,应提高探测器的积分时间,以减小噪声等效带宽(35)f,可以提高各个通道的温度探测灵敏度。各个通道的噪声等效温差计算结果如表1所示。

3 系统成像实验及结果分析

中波多光谱成像系统分别在室内和室外对不同的场景目标进行了成像实验。目的是检验中波多光谱的成像效果,针对不同目标,寻找中波多光谱成像的光谱成像规律。

如图2所示是中波多光谱成像系统对室内打火机火焰进行的多光谱成像,火焰在各个光谱通道表现出不同的形状。在多光谱的短波通道只能看到火焰的焰心,而在长波通道则可以看到火焰的整个形状、火焰对周围空气的加热效应以及拿火机的人手。说明在短波光谱通道火焰的焰心和人手之间具有非常大的辐射能量差异,因此只能看到火焰焰心之类高温目标,而人手之类常温目标则因为相对火焰的辐射能量很小,在图像中难以显现。在长波光谱通道则由于人手和火焰的光谱辐射能量反差较小,能够在光谱图像中全部呈现。根据以上的成像结果,多光谱技术可以通过各个光谱图像的对比,剔除成像设备附近的飞鸟等常温目标的干扰,而识别高温目标。

如图3所示是中波多光谱成像试验对室外行驶中的汽车进行的多光谱成像实验。图4是对汽车尾部的阳光反射部位在四个光谱通道进行的光强对比。通过多光谱图像对比,同一目标在4个光谱通道的图像中表现出明显的差异,这些差异反映了目标的光谱特征,目标辐射在不同光谱通道具有不同的光通量。阳光的反射在短波光谱通道的光通量较大,而在长波光谱通道的光通量很小。因此通过多光谱成像技术可以剔除阳光反射对目标成像的影响。

4 结论

本文对中波多光谱成像技术进行了系统研究,分析了各个光谱通道的探测灵敏度,并进行了中波多光谱成像实验。成像结果的分析表明,多光谱成像技术可以识别目标和干扰之间的光谱差异,有效抑制背景干扰。中波多光谱成像技术的后续研究还需通过大量的目标成像实验,获取目标光谱特征,对多光谱的波段选择和图像处理算法进行优化[5]。

参考文献

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成像光谱 篇5

收稿日期： 20131212

基金项目： 国家自然科学基金资助项目(61205156、61378060);科技部重大科学仪器专项(2011YQ15004002、2011YQ15004004、2011YQ14014704);上海市教委曙光项目(11SG44)

摘要： 针对Offner双镜三反射成像光谱仪的消像差结构,采用几何方法推导出光谱分辨率的计算公式,分析了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像元尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并探讨了提高光谱分辨率的方法和技术,即在优化系统像差的同时,适当减小狭缝宽度和探测器像元尺寸,有利于提高系统的光谱分辨率。该系统利用消像差优化设计同时考虑光谱分辨率的设计方法,具有十分重要的实用价值,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。

关键词： 光栅光谱仪; 光谱分辨率; Offner结构; 同心光学系统

中图分类号： TH 744.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.012

Research of resolution for Offner twomirror

threereflection imaging spectrometer

PEI Ziren, HUANG Yuanshen, NI Zhengji

(1.School of OpticalElectrical and Computer Engineering, University of Shanghai for

Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract： The calculating equation of spectral resolution was deduced by geometry method based on eliminating aberration structure of Offner twomirror threereflection imaging spectrometer. The entrance slit width, convex grating resolution, system aberration and pixel size of detector have a great influence on spectral resolution, and the influence of resolution for each parameter was analyzed. The calculating method and optimization design method of aberration were proposed in spectroscopic system. The techniques and methods of improving spectral resolution were summarized, namely, when the system aberration was optimized, the spectral resolution could be enhanced by decreasing entrance slit width and pixel size of detector. This system used optimization design of eliminating aberration, as well asdesign method of spectral resolution, which has important practical value. It can provide the experience and reference for imaging spectrometer′s designing.

Key words： grating spectrometer; spectral resolution; Offner configuration; concentric optical system

引言Offner型成像光谱仪属于同心光学系统结构,该结构由于具有像差小、相对孔径大、成像质量高、结构简单紧凑、谱线弯曲和色畸变小等优点,可以用于高分辨率成像光谱仪的分光系统,用来实现目标识别和检测、精确测绘、临床诊断成像、管理和环境评估等任务,广泛应用于各行各业相关领域［12］。Offner型成像光谱仪的思想最早由Mertz提出［3］,后经Kwo等加以改进［4］,该成像光谱仪由一个大凹面反射镜和一个同心的凸面光栅组成。这种结构设计保证系统所有三级像差为零,而且采用反射结构,没有系统色差［5］。该结构简单,易实现大孔径,与其它平面和凹面光栅结构的光谱仪相比,像差很小,其光谱性能大大提高［35］。虽然目前国内外有很多文献［510］探讨了Offner成像光谱仪的消像差设计,提出了一系列减小系统像差的方法和结构,但是对于该系统光谱分辨率,还没有具体详细的研究。不少文献［5,710］只是在优化设计时提出光谱分辨率的参数要求,有的文献［56］对于分辨率的要求仅限定于定性的分析,并没有深入考虑在整个光谱仪系统其它因素对分辨率的影响,而且又没有求出最终光谱分辨率表达式,而光谱分辨率是衡量光谱仪品质的重要性能参数。因此本文在前人研究的基础上,采用Kwo等提出的Offner双镜三反射成像光谱仪结构,结合Offner系统的消像差特点,在仪器设计中考虑了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像素尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,从而在使用波段范围内,能够取得较小的像差、高分辨率和合理的光谱能量分布。光谱分辨率是指光谱仪能分辨两条波长很接近的谱线的能力,它是成像光谱仪最重要的性能指标之一,通常利用瑞利准则来判断,即当两条强度分布轮廓相同的谱线的最大值与最小值重合时,它们能够分辨［11］，然而利用瑞利判据是仅考虑衍射极限分辨率。在实际应用中,Offner成像光谱仪的最终分辨率受到入射狭缝宽度、凸面光栅分辨率、系统像差以及探测器像元尺寸等各个因素的影响,使得实际分辨率低于理论分辨率。因此,研究各因素对光谱分辨率的影响,对成像光谱仪的设计具有极其重要的意义。1入射狭缝宽度对光谱分辨率的影响Kwo等提出的双镜三反射成像光谱仪的分光系统结构如图1所示,当入射光从A点出发,经过凹面镜反射到凸面光栅上,经过光栅衍射返回到凹面镜。设系统的等效入射焦距为r,等效出射焦距为r′,这样从A点出射的入射光路和出射光路等效为图2所示,当入射光线是波长为λ的理想单色光时,此时入射狭缝宽度对系统分辨率的影响,主要表现在光栅色散时,狭缝在像面上所形成像的几何宽度。光学仪器第36卷

第2期裴梓任，等：Offner双镜三反射成像光谱仪分辨率的研究

图1Offner结构成像光谱仪

Fig.1Offner configuration for imaging spectrometer

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图2狭缝与狭缝像之间的关系

Fig.2Relation between slit and slit image

如图2所示,当入射狭缝的几何宽度为L时,狭缝中点为A0,边缘两点为A1和A2,入射光线A0O入射角为α,光线A1O和A2O的入射角分别为α+Δα和α-Δα,入射狭缝像在像面上的几何宽度为ΔL,对光栅方程sinα-sinβ=kλ/d求导,得:dβ=cosαcosβdα即得Δβ=cosαcosβΔα(1)其中,α为主光线入射到光栅上的入射角,β为衍射角,k为光栅衍射级次,d为光栅常数。在Δα和Δβ很小的情况下,狭缝L=2r×Δα,狭缝像的几何宽度ΔL=2r′×Δβ,将式(1)代入,得:ΔL=r′cosαrcosβ×L(2)当入射光线不是单色光时,假设入射狭缝中点A0在像面上的线色散为dldλ,单独考虑中点A0,此时入射角α不变,对光栅方程求导,得:dβdλ=kdcosβ(3)因此,狭缝中点A0在像面上的线色散为:dldλ=r′dβdλ=r′kdcosβ(4)入射狭缝像的几何宽度ΔL所对应的光谱宽度W′为:W′=ΔLdλdl=L×dcosαkr(5)根据瑞利准则,当两条强度分布轮廓相同的谱线λ1和λ2的最大值和最小值相重叠时,它们能被分辨,如图3所示,此时理论上最大分辨率为:R理想=λ—Δλ=(λ1+λ2)/2λ2-λ1(6)但是由于狭缝的存在,谱线会因狭缝的宽度而使光谱变宽,此时图3(a)变成图3(b),这时,λ1和λ2不能被分辨,如果将图3(a)中的λ2谱线向右移W′/2就可被分辨,如图3(c)所示,此时λ′1=λ1,λ′2=λ2+W′2,则光谱仪的实际分辨率为:R实际=(λ′1+λ′2)/2λ′2－λ′1=(λ1+λ2+ΔL2×dλdl)/2λ2+ΔL2×dλdl－λ1=4λ—+r′cosαrcosβ×L×dλdl4Δλ+2r′cosαrcosβ×L×dλdl(7)将式(7)对狭缝宽度L求导,得:dR实际dL=r′cosαrcosβ×dλdl(4Δλ—－8λ—)4Δλ+2r′cosαrcosβ×L×dλdl2(8)很显然dR实际/dL<0,即:实际光谱仪的分辨率随入射狭缝的增大而减小,这与式(5)得到的结论相一致,即:狭缝宽度增大,则光谱也变宽,对应的分辨率就减小,因此,减小入射狭缝宽度有利于提高光谱仪的分辨率。然而由于减小入射狭缝的宽度,会使出射光强度减弱,当入射光强较弱时,狭缝宽度过小有可能导致探测器无法接收到光信号。因此,在实际使用时,应在保证光信号能够被光电探测器探测的前提下,尽量减小入射狭缝宽度,以提高仪器的分辨率。当入射狭缝像的宽度小于或等于衍射宽度时,即:ΔL=r′cosαrcosβ×L≤r′λ0Ndcosβ(9)此时狭缝宽度引起的像差可以忽略,该光谱成像系统可以认为是理想的光学系统。此外,将式(7)对dl/dλ求导,得到dR实际/(dl/dλ)>0,即:光谱仪的分辨率随线色散的增大而增大,而dR实际/dα>0,因此分辨率随着入射角的增大而增大,说明在大角度下使用光栅,增大入射角也可提高分辨率。图3光谱宽度与分辨率之间的关系

Fig.3Relation between spectral width and resolution

2凸面光栅对系统整体分辨率的影响由于光栅的色散作用,在入射角相同的情况下,不同波长的光线入射到光栅上,被光栅衍射到了不同的方向上依次排列,形成光谱。在相同的条件下,使用的光栅分辨率越高,光谱仪的分辨率也越高,相应的成像质量越好,光栅衍射主极大的半角宽度为:Δβ=λNdcosβ(10)根据角色散公式,光栅对应的光谱宽度为:Δλ=dλdβΔβ=λkN(11)因此光栅的分辨本领为:RG=λΔλ=Nk(12)上述所描述的是光栅理论分辨率,其中N为光栅总刻线数。在实际凸面光栅成像光谱仪中,光栅的刻线数是有限的,因此它的主极大条纹的宽度有限,不可能无限小。由于凸面制造工艺技术难度较大,存在不同程度的缺陷,所以光栅实际分辨率通常要低于理论分辨率,这就要求在设计光谱仪时尽可能选择没有缺陷或缺陷极少的凸面光栅,从而提高光谱仪的分辨率。3系统的像差对光谱仪分辨率的影响像差是实际成像系统所成的像与理想成像系统所成的像之间的差异,由于像差的存在,物点在像空间所成的像是一个弥散斑,弥散斑的大小和形状与像差有关。色散系统由于像差的存在,使光谱响应函数的带宽变宽,从而系统分辨率降低。因此,在设计成像光谱仪时,尽可能地减小系统的像差,是获得高分辨率的关键。如图1所示Offner成像光谱仪结构,在物像平面上存在一个最佳的入射点位置,光束从该位置入射,系统具有最小的像差。由于是同心同轴结构,根据对称性,系统没有彗差,弧矢像差也没有,只存在高级子午场曲,因此稍微增大凸面光栅的曲率半径r,使r略大于凹面镜的曲率半径的一半R/2,这样可以引入球差来抵消高级子午场曲,使系统的像差最小,分辨率最高［56］。根据Offner双镜三反射的结构特点,首先恰当地选择凸面光栅和凹面镜的曲率半径之比,再根据设计要求采用光线追迹法确定最佳的入射点位置,这样可以使系统的像差最小。实践证明［6］,当两半径比在0.5～0.55范围内,可以获得最小像差,鉴于此,选择凹面镜的曲率半径R=240.6 mm,凸面光栅的曲率半径r=125.4 mm(r/R=0.521 2),刻线图4系统像差随入射点高度的变化

Fig.4Aberration curve versus object height数N=500 g/mm,孔径角μ=±3°。根据光线追迹法和几何关系,在某一入射高度hi,将单色入射光线平均分成n个角度的光线,计算出每条光线像点与主光线像点之间的不重合度Δi,再对这n个Δi计算均方差作为弥散斑的半径,用弥散斑半径表示单色像差,再求出所有波长对应的单色像差,并对所有单色像差求均方差值,表示某一波段内的系统平均像差,最后利用软件模拟求出不同入射高度时对应的所有平均像差大小,从而求出在可见光波段最佳入射点高度,如图4所示。在这个已知的系统中,当入射点h=39.02 mm时,该系统具有最小像差为26.479 μm,在其他条件正常的情况下,此时系统的分辨率最高。4探测器像元尺寸对光谱仪分辨率的影响成像光谱仪接收器件采用CCD探测器,它是由一系列像元组成,每个像元所积累的电荷量与其所接收的光谱段的强度成正比［11］,像元的个数N是根据光谱使用的波段范围和光谱取样间隔来决定的,即:N=(λ2-λ1)/Δλ,因为每个像元都有一定的尺寸大小,所以一个像元所占的光谱宽度就决定了光电阵列探测器的最小可分辨的波长差δλC,也就是决定了光谱取样间隔。当系统像差和入射狭缝引起的光谱带宽增宽都小于CCD的最小可分辨的波长差δλC时,可以通过减小CCD探测器像元尺寸来提高系统的光谱分辨率;当系统像差和入射狭缝引起的光谱带宽增宽都很大时,此时减小CCD探测器像元尺寸只能将信号的采样频率提高,使光谱轮廓描述得更细致,但不能提高系统光谱分辨率。由于过多减小像元尺寸会使制造工艺中难度增大,因此,要想提高光谱分辨率,除了减小探测器像元尺寸外,更重要的是减小系统的像差,使系统接近理想光学系统。5结论本文根据Offner成像光谱仪的结构,利用几何关系式,全面地分析了在入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像素尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,推导出了实际分辨率与光栅衍射参数之间关系的公式,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并讨论了分辨率受各种因素的影响及提高分辨率的办法,即:适当地减少入射狭缝的宽度、选择优质的光栅、选择恰当的入射点高度以及减小探测器像元尺寸可以提高光谱仪的分辨率,从而在使用波段范围内,能够取得较小的像差、高分辨率和合理的光谱能量分布,解决了光谱仪的各个因素和光谱分辨率之间的矛盾,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。参考文献：

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成像光谱 篇6

相似异物作为一种特殊的被测对象使目前的图像检测技术遇到新的挑战。相似异物是指被测异物与所处背景的外观特征(如颜色、形态、纹理等)极其相似,肉眼较难识别,而常规的成像方法很难采集到被测异物的图像特征,因而无法进行后续的异物检测。一个很典型的例子,如白色丝状异物混入棉花中,肉眼难以辨别,但异物的存在会使布匹出现断点、疵点以及染色不均匀,导致后续纺织品加工质量严重下降[1,2,3,4,5]。

目前针对相似异物的检测多集中在计算机视觉方法上,但检测效果普遍不太理想。为了获得被测异物清晰的图像特征,一些设计方案融合了其它成像方法如α,β,γ射线成像、X光成像以及PET成像等,但由于这些混合成像结构价格昂贵,且识别效果无法满足实际要求,应用推广较为困难[6,7,8,9,10]。近几年来,随着光谱学的发展,光谱仪器与光谱分析技术得到较为广泛的应用。根据异物与背景在特定波段的光谱特性差别,再将这种差别转化图像中异物与背景的特征差别,可将部分相似异物检测出来[11]。但这种方法在异物与背景光谱特性相近的条件下,相似异物存在漏检可能性,因此检测效果无法满足要求。

本文利用异物与背景不同的透/反射特性差异,根据差异建立不同的成像模式,在不同的成像模式下优选最佳光照波长以区分背景中的异物,由此构建透/反射光谱成像系统获取异物图像特征,采用二值化自适应阈值处理从背景中提取异物。实验表明,该方法具有较高的检测效率。

2 透反射波长优选函数的建立

异物与背景的光照特性差别存在于两种形式:透射特性差别与反射特性差别。针对不同的特性差别,可采用不同的成像模式。即利用透射成像检测那些与背景透射特性有差别的异物,利用反射成像检测那些与背景反射特性有差别的异物。而且,在不同波长光照下,异物与背景的透/反射特性差异不相同。因此,可以推断出这样一个结论:若不同透射波长光照下图像信息与不同反射波长光照下图像信息融合,可以检测更多的异物。

在多波长透反射成像系统中,波长的优选至关重要。为筛选波长,以异物与背景的图像特征差别程度作为波长选取的依据。在获取的透/反射灰度图像中,异物与背景灰度值差别越大,越容易被区分开来。我们的目标是找出使异物与背景差别最大的波长,以此作为光照光源。

对于单个异物来说,较容易找到检测该异物的波长。但在多个异物条件下,需要找到将多个异物从背景中区分开来的最佳光照波长。因此,具体实验中,需要平衡考虑背景与多个异物差别,使背景与每一种异物差别均较明显,以此原则确定最佳光照波长。

为描述背景与异物的差别,定义在λ波长处背景与异物灰度差别为

其中:Gb(λ)为背景灰度值,Gi(λ)为n个异物灰度值,i=1,2,…,n。

最佳光照波长就是综合考虑背景与n种异物的灰度差别。在评估最佳波长时要遵循3个原则:

1)∆iG(λ)均方根均值要高,以利于整体上使多种异物与背景区分开;

2)∆iG(λ)中的最小灰度差不易太小,否则不利于单个异物的区分;

3)∆iG(λ)灰度差数据波动不易太大,避免背景与某些异物灰度差大,而与另一些异物灰度差小。

根据上述要求1),定义背景与异物的灰度差均方根均值:

依据上述要求2),定义最小灰度差:

根据上述要求3),定义灰度差的标准差:

其中

考虑上述三个因素,最佳波长优选函数如下:

式中在不同波长处∆G(λ)的值定义为综合灰度差。

3 透/反射光谱成像检测实验

为表明上述方法的有效性,以棉花中白色异物的检测为例进行说明。光谱反射成像系统中,选用10个离散波长(370 nm、390 nm、400 nm、470 nm、520 nm、580 nm、630 nm、850 nm、940 nm、1 100nm)的二极管20×20面阵列光源分布两端,与水平方向呈45°夹角。利用光源的准直、光照均匀修正等方法使光照分布均匀。多光谱CCD相机选用JVC公司的TK-C1831EG,此相机的光谱响应范围为300~1 200 nm,可采集不同波长光照下光谱反射图像。同理,在光谱透射成像系统中,选用上述10个离散波长的二极管30×20面阵列光源。该光源置于被测样品的底部,光谱透射被测物后,由上部的CCD相机获取图像。透反射光谱成像系统如图1所示。

根据客户对异物检测的要求,选用棉花分拣现场中出现频率最高的四种异物,包括白色丙纶丝、猪鬃、棉线1(带荧光剂),棉线2(普通棉线)。将4种异物散落在棉花表面,由计算机I/O卡控制光源并配合CCD相机实现透射与反射成像切换。在上述10个离散波长处,得到4种异物与棉花在不同波长处的综合灰度差,进而得到综合灰度差与波长的关系。由图2看出,390 nm与580 nm分别在反射及透射成像中综合灰度差最大,可分别用于反射和透射成像检测系统。

由此,390 nm与580 nm波长的光源针对四种异物比较有效,若要检测更多的异物,需要调整光源的波长,但不同波长的光源成本相差较大,因此需要综合考虑。对于棉花中存在的其它异物如羊毛、白发等由于出现概率极小(0.013%),考虑到成本问题,我们在实验中专门针对4种异物进行研究。

将4种异物:棉线1、棉线2、猪鬃、尼龙散落在棉花表面,分别获取390 nm反射图像与580 nm透射图像并进行处理。图3(a)为390 nm波长反射图像,猪鬃、棉线1图像特征明显。图3(b)为580 nm波长透射图像,棉线1、棉线2、尼龙图像特征明显。

对580 nm和390 nm波长两幅图像分别进行中值滤波衰减噪声,然后进行背景光照度均匀修正。在背景校正中,首先利用低通滤波器提取缓变的背景,然后对背景反色后与原始图像相加,此方法也可以使异物与背景的灰度差增强。

最后利用自适应阈值对异物图像进行二值化处理,利用形态学种子填充法提取清晰、连续异物。图4为经过二值化处理后的图像。

经过上述二值化处理后,由两幅不同波长的二值化图像进行融合,得到最终的二值化图像。

得到二值化处理后的图像,可有效提取棉花背景中异物,检测结果与实际相符。

实验过程中,所选光谱的光照强度对异物检测效果影响较大。为定义光照强度,将光源直接照射A4白纸获取图像,以该图像的平均灰度值作为光照强度值。由于图像灰度量化范围单元数为0~255(8 bits),将光照强度值除以图像的最高灰度值255即构成光强系数,光强系数实际为一个量化单元的灰度值,可表示如下:

其中:为图像灰度平均值,光照系数e∈[0,1]。

为对检测效果有一客观的评价,以检测率作为检测效果的评价指标[12]。文中的检测率定义如下:对于n种异物来说,若放入Ni个,检出Mi个,同时误检(多检出)Pi个,定义检测率η为

将4种异物随机放置在棉花上层表面,在棉层厚度20 mm,异物平均宽度2 mm条件下进行实验。逐步提高光照能量,得到检测率与光照系数的关系曲线如图6所示。

图6中,在390 nm波长反射光照下,检测率随光强系数的增加平滑而缓慢上升,到达极限值后,检测率随光强系数的增加而迅速下降。在580 nm波长透射光照下,检测率随光强系数的增加而近似直线上升,到达极限值后,检测率随光强系数的增加而迅速下降。实验结果表明,当反射光强系数e=0.74且透射光强系数e=0.83时,棉花中异物的检测率达到峰值91%。

4 结论

针对与所处背景外观特征相似的相似异物,提出了一种基于透/反射光谱成像的异物检测方法。引入透反射双波长光源构建成像系统,获取异物的图像特征。为评估单波长光照下多个异物与背景的差别,构建了透反射光照波长优选函数。分析了离散波长处异物与背景的灰度差别,确定了区分多个异物与背景的最佳透射及反射波长。在分析光照系数对检测效果影响基础上,建立最佳波长及最佳光照系数的透反射光谱成像系统,以棉花中白色异物的检测为例,将异物与背景的透反射差别转换为图像灰度差别,利用光照度修正、灰度增强以及二值化处理方法提取相似异物,检测结果与实际相符。

透反射光谱成像检测方法可有效检测与背景外观相似的异物,为解决此类问题提供一种可行的方法,特别是针对弱对比度异物检测具有一定的意义。

摘要：针对复杂背景中相似异物检测难题,提出了一种利用透/反射光谱成像的相似异物检测方法。该方法利用异物与背景不同的透/反射特性差异,根据差异建立不同的成像模式,在不同的成像模式下优选最佳光照波长以区分背景中的异物,以此构建透/反射光谱成像检测系统。以棉花中的白色丝状异物作为实验对象,利用最佳波长透/反射成像系统获取异物图像特征,采用二值化自适应阈值图像处理从背景中提取异物。实验结果表明,在反射光照系数0.74及透射光照系数0.83条件下,该方法对相似异物的检测率达到91%。这一方法为目前相似异物检测提供一条切实可行的新思路。

关键词：相似异物,透/反射光谱成像,波长优选,图像检测

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成像光谱 篇7

世界范围内的人口激增,人口老龄化的加剧, 会增加对医疗器械的需要。肿瘤是严重威胁人类健康的重大疾病[1],发展有利于癌症早期诊断的相关技术和设备,对癌症早期诊断、提高诊疗效果、降低医疗成本等都有非常重要的意义。

肿瘤的早期诊断需要具有高分辨率、无损安全且能进行在体检测的技术。大量研究表明90% 以上的肿瘤来源于上皮细胞的病变,且在癌症发生发展过程中会发生分子和细胞水平的变异,而基于高分辨率光学成像技术的内窥成像系统可以实现无损、实时、在体地检测微小肿瘤性病变,因而能够极大地提高肿瘤的早期诊断率[2]。目前国内众多的高校和科研单位也需要此类系统帮助科研工作,所以该类系统的潜在市场是巨大的。

本文围绕基于光纤束的内窥探头、快速多光谱成像等方面内容,介绍一种新的面向癌症早期诊断的多光谱荧光共聚焦内窥镜[3~6]。该系统首次将傅里叶变换光谱探测技术与荧光共聚焦内窥成像技术结合,实现多光谱的活体荧光高分辨成像,是光学显微成像技术和高分辨内窥成像技术的突破,将为恶性肿瘤早期诊断的研究开辟新路。

1.系统的原理

多光谱荧光共聚焦内窥成像技术采用光纤束作为载体,经人体或其他动物体天然通道或手术微创切口进入体内对器官进行在体探测[3,7]。该技术通过光纤束内窥镜将激发光束经内窥镜传输到体内样品表面。样品经照射后,发出荧光信号, 经内窥镜收集后原路返回后端光学系统,返回信号经傅里叶变换光谱探测后,将携带信号光谱信息的调制信号经光电探测后并最终输入计算机进行数据处理,以获得样品的多光谱荧光成像结果。 由于光束每次都聚焦到光纤束的单根光纤中,经扫描机构实现光束对样品的空间扫描。这种成像方式实际上具有共聚焦显微成像的特点,可以获得亚微米的光学分辨率[8]。傅里叶变换光谱探测, 是一种频域的测量方法,具有光谱分辨率高、光谱分辨率可调、信噪比高、所有波长并行同时测量等优点。多光谱荧光内窥成像技术不仅可以探测到样品的表面形态学信息,即组织水平的反射谱成像,而且也可以提供样品的生物化学成分信息,即分子水平的荧光发射谱成像,为生物医学诊断与研究提供了一种新颖、便捷、快速的检测方法。

多光谱荧光共聚焦内窥成像系统结构示意图如图1所示,主要包括激发光源、二色镜、x/y双轴扫描系统、扩束系统、近端耦合透镜、光纤束、小型化前端内窥探头、傅里叶变换光谱探测系统、光电信号探测系统、高速数据采集传输系统、计算机等部分。激发光源可以是单色激光器, 也可以采用目前新型的白光激光光源,以提供更多的、更灵活的激发波长选择,实现双色或多色同时激发,或白光成像等不同功能。扫描系统采用振镜或其他扫描方式,实现光束在空间域的二维扫描,以获取整幅图像。入射激发光束经扩束系统扩束整形以满足近端耦合透镜的入射光束孔径要求。近端耦合透镜实现光束与光纤束近端单根光纤的耦合。光纤束的远端与小型化的成像透镜封装在一起组成小型化前端内窥探头,以满足内窥探测的需要。二色镜引导入射激发光束和荧光信号分别进入扫描系统和探测通道。傅里叶变换光谱探测系统将采集到的荧光信号调制成携带波长信息的干涉信号。光电信号探测系统能够探测被调制的荧光干涉信号,并将其转为可供采集的电信号。多通道同步高速数据采集传输系统保证了扫描系统、傅里叶变换探测系统与光电信号探测系统的同步触发和采集。计算机实现对采集信号的控制和数据的实时处理与保存。

2.系统的特点

常规的内窥镜大部分通过光反射原理成像, 获取组织水平的成像结果,或通过染色在组织水平区分正常组织或病变组织,分辨率仅为亚毫米, 只能检测组织形态发生显著改变的病变。而此系统围绕面向癌症早期诊断的多光谱荧光共聚焦内窥镜的研制,重点在前端基于光纤束的内窥探头、 快速1多光谱成像的研制等方面,针对荧光内窥探头的不同性能要求,采取小型化及高分辨率两种不同的内窥探头目标。多光谱成像方面,将采用傅里叶变换解谱技术,实现对样品光谱信息的快速采集[4]。

荧光共聚焦内窥成像技术无需取样活检即可

提供体内器官实时、无创、高分辨率组织水平的病理学形态学信息和分子水平的生物化学成分信息,是体内病变,特别是肿瘤等疾病的早期诊断、 及相关治疗手段和药物研究都迫切需要的一种重要方法,近年来一直是国内外先进医疗器械的研究热点之一。从技术上来说,小型化内窥探头的灵活性、系统小型化后的荧光成像水平以及荧光信号的多光谱快速探测处理技术仍然有待进一步改进和提高。这也为多光谱荧光共聚焦内窥成像系统的研发提出了两大关键技术 :

其一,小型化内窥探头。内窥探头经人体或动物体天然孔道,或经手术做的小切口进入体内, 导入预检查的体内器官,直接窥视有关部位的变化。因此,活体内窥探测对内窥探头的灵活性提出了很高的要求[9]。内窥探头的尺寸有必要进一步缩小使之更易操作,减轻病人的痛苦,并有可能与已有传统内窥镜兼容,实现集成。为此,我们设计了一种直径只有2.6 mm的小物镜,如图2所示。带这种小物镜光纤探头可以插入常规内窥镜的活检通道,从而实现与常规内窥镜的兼容。

其二,多光谱成像。实现视频速率的图像采集,更好的发挥出荧光共聚焦内窥成像技术的高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率等特点,对实时、连续观测样品的变化具有非常重要的实际价值,更有利于该技术的临床化应用[10]。 大通量的快速数据获取对系统扫描机制、数据采集、传输和保存等都提出了非常高的要求。为此,我们研发了活体荧光内窥光谱成像装置,它采用傅立叶变换光谱探测技术与光纤束内窥显微技术结合,二者组成了一种新型的活体内窥光谱成像系统[11]。这种新型成像系统不仅可以提供成像空间各点精确的荧光发射光谱信息,而且还可以准确提供样品成像空间形态分布,从而实现对生物样品自身不同生物化学成分或多种外源荧光标记物的同时观测,极大地提高了光纤束内窥镜的功能。

3.结果

为了证明系统的光谱分辨能力,我们测量了系统的光谱分辨率。图3(a)为光纤束端面在He-Ne激光器照明下的成像结果,图3(b)为其局部放大图像[12]。由图3(c)中的傅立叶变换方法测出的光谱的峰值精确地出现在632.8 nm处并且光谱的半高全宽分辨率为0.2 nm,非常接近其理论光谱分辨率0.16 nm。

为了证明系统对活脑进行光谱成像的能力, 我们在双色标记的鼠脑上进行了实验。通过在鼠脑内插入光纤束将激发光导入,如图4(a)所示。 小尺寸的光纤束可以避免对鼠脑造成较大伤害[12]。鼠脑的成像结果如图4(b)所示,可以清晰地看到轴突。图4(c)为由重构的光谱信息合成的伪彩图。在图中有两种信号。图4(d)中绘制出了这两种荧光信号的发射光谱曲线。这种方法可以对深脑进行活体的光谱成像,这是传统的光谱显微镜无法做到的。

4.总结

面向癌症早期诊断的多光谱荧光共聚焦内窥成像系统是一种可以实现多光谱的对研发先进共聚焦内窥镜有着重要意义的光学成像系统。目前我们研制的多光谱荧光共聚焦内窥成像系统技术已达到了国际先进水平,它填补了我国在此领域的技术空白。该技术目前已经成熟,可以直接应用于临床研究。这种多光谱荧光共聚焦内窥成像系统在进一步的研发中将实现具有细胞水平,同时能够实现对早期癌症进行实时在体观察的功能, 进而能够实现对癌症的早期发现与诊断。

摘要：肿瘤的早期诊断迫切需要具有高空间与光谱分辨率、无损安全且能进行在体检测的技术。本文提出一种面向癌症早期诊断的多光谱荧光共聚焦内窥镜,重点介绍前端基于光纤束的内窥探头与快速多光谱成像能力。多光谱荧光内窥成像技术不仅可以探测到样品的表面形态学信息,而且也可以提供样品的光谱信息,为生物医学诊断与研究提供了一种新颖、快速的检测方法。

成像光谱 篇8

长久以来, 指纹分析技术一直是执法机构及法医学家在犯罪证据解析中采用的重要手段[1]。随着刑事科学技术的发展, 指纹分析技术已经发展成为一门涉及物理、化学、生物等多学科领域的综合性专业技术。指纹分析作为刑事侦查过程中一个环节, 极其重要, 能否及时准确地采集到清晰有效的指纹将直接影响到指纹的比对以及整个侦查破案的方向。而传统的物理、化学等指纹显现方法在具体实践中仍存在诸多弊端, 特别是粗糙表面及混色客体表面上的指纹用物理方法较难显现清楚[2]。为了最大限度地提高指纹的采集率和利用率, 实验人员将利用多光谱成像系统对指纹进行分析研究。

多光谱成像是通过多光谱成像仪记录被检物体在一定光谱范围内密集均匀分布的多个窄波段单色光的反色光亮度分布或荧光亮度分布, 形成由许多单色光构成的影像集[3]。通过对采集的多光谱影像集进行图像分析与处理, 可以对潜在、微弱指纹进行有效地显现和增强。将多光谱成像技术应用于物证形态检验特别是指纹分析领域是近年来国内外法庭科学工作者共同关心和研究的问题之一, 相信多光谱成像技术的出现及其突出优势将使痕迹检验学的发展进入一个崭新的阶段。

1 实验器材和方法

1.1 实验装置

美国CRi Nuance多光谱细胞成像系统:波长范围:450-950nm, 带宽:20nm, 光学组件:60mm焦距镜头, CCD:2/3in, 像素:130万像素, 获取影像时间:3-5s。

惠普HP Z2000 Workstation台式电脑。

美国CRi Nuance TM Imaging System Version2.10.0软件。

1.2 实验方法

为配合多光谱成像仪的使用, CRI目前共开发了2种分析方法 (classify) 和去混合方法 (unmix) 。这2种方法都是以CCD照相机所采集的光谱影像集为分析对象, 基于光谱影像集合成后得到的伪彩色图像 (与数码照相机记录影像效果相同) , 根据各个像点在不同波长上亮度值的不同进行分析。这2种方法只能对光谱影像集进行分析, 对于单色亮度影像则只能通过对RGB值、亮度、对比度的调整来使图像质量有所提高[4]。

实验中采用用卤钨灯均匀照明方法;曝光时间由CRI专用软件测定;光圈设置为8;起始波长为450nm, 终止波长为950nm, 波长步进为10nm;连续曝光。

2 实验内容

2.1 不同颜色的粗糙单色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强实验

2.1.1 样本的采集

在粗糙红色卡纸、淡蓝色卡纸表面各轻按捺一枚红色印泥指纹, 置于室内 (温度约20℃, 湿度约50%) , 存放时间为2-3d。

2.1.2 实验步骤

将粗糙红色卡纸表面红色印泥指纹、淡蓝色卡纸表面印泥指纹样本分别置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光, 获得RGB原图;调节波长450-950mm, 步长10mm, 再次对样本进行曝光, 对显示屏所成像图进行颜色赋值:指纹处赋黑色, 背景红色卡纸、淡蓝色卡纸分别赋白色, 用分类方法分别得出一组图片, 选取显现效果最佳的一张作为现图。

2.2 不同颜色的单色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强实验

2.2.1 样本的采集

在红色透明塑料板、黄色透明塑料板表面各轻按捺一枚红色印泥指纹, 置于室内 (温度约20℃, 湿度约50%) , 存放时间为2-3d。

2.2.2 实验步骤

将红色透明塑料板表面红色印泥指纹、黄色透明塑料板表面红色印泥指纹样本分别置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光, 获得RGB原图;调节波长450-950mm, 步长10mm, 再次对样本进行曝光, 对显示屏所成像图进行颜色赋值:对于印有红色印泥的红色塑料板样本, 指纹处赋黑色, 背景红色透明塑料板赋白色, 用分类方法分别得出一组图片, 选取显现效果最佳的一张作为现图;对于印有红色印泥的黄色塑料板样本, 指纹处赋白色, 背景黄色透明塑料板赋黑色, 用分类方法分别得出一组图片, 选取显现效果最佳的一张作为现图。

2.3 光滑红色卡纸上暗红色果汁指纹的显现增强实验

2.3.1 样本的采集

用手指蘸取少量暗红色果汁, 稍干后在光滑红色卡纸上轻按捺一枚指纹, 置于室内 (温度约20℃, 湿度约60%) , 存放时间为1d。

2.3.2 实验步骤

将样本置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光, 获得RGB原图;调节波长450-950mm, 步长10mm, 再次对样本进行曝光, 对显示屏所成像图进行颜色赋值:指纹处赋黑色, 背景红色卡纸赋白色, 用分类方法得出一组图片, 选取显现效果最佳的一张作为现图。

2.4《江苏警官学院院报》纸表面红色印泥指纹的显现增强实验 (具体:淡黄色底、红色栏目字体、红色印泥指纹)

2.4.1 样本的采集

在该报纸上 (如图所示位置) 轻按捺一枚红色印泥指纹, 置于室内 (温度约15℃, 湿度约58%) 约2h。

2.4.2 实验步骤

将样本置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光, 获得RGB原图;调节波长450-950mm, 步长5mm, 再次对样本进行曝光, 对显示屏所成像图进行颜色赋值:红色栏目字与指纹重叠处赋黑色, 红色栏目字赋黄色, 结果色设粉红色, 用去混合方法得出一组图片, 选取显现效果最佳的一张作为现图。

3 实验结果与讨论

实验结果

3.1 不同颜色的粗糙单色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强实验结果

粗糙红色卡纸表面模糊红色印泥指纹样本在多光谱成像系统的操作下, 红色印泥指纹与红色卡纸背景能被很好地区别开来, 生成白底黑色指纹图且指纹显现较清晰, 见图1、图2;粗糙淡蓝色卡纸表面红色印泥指纹样本在多光谱成像系统的操作下, 部分不清晰的指纹纹路能被清晰显现, 生成黑底白色指纹图且显现出的指纹特征明显, 见图3、图4。

3.2 不同颜色的单色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强实验结果

红色透明塑料板表面红色印泥指纹样本在多光谱成像系统的操作下, 红色印泥指纹红色透明塑料板背景能被很好地区别开来, 生成十分清晰且特征明显的黑底白指纹图, 见图5、图6;在黄色透明塑料板表面红色印泥指纹样本的RGB原图中, 大部分红色指纹纹路模糊, 该样本在多光谱成像系统的操作下, 模糊的红色指纹纹路能被清晰显现, 生成特征较明显的黑底白指纹图, 见图7、图8。

3.3 光滑红色卡纸上暗红色果汁指纹的显现增强实验结果

起初, 用肉眼观察光滑红色卡纸表面暗红色果汁指纹样本, 暗红色果汁指纹与光滑红色卡纸背景“融为一体”, 无法对其进行区分, 但该样本在多光谱成像系统的操作下, 暗红色果汁指纹与光滑红色卡纸背景能被很好地区别开来, 排除了样本背景的干扰, 生成白底黑色指纹图且指纹纹路清晰、特征明显, 见图9、图10。

3.4《江苏警官学院院报》纸表面红色印泥指纹的显现增强实验结果

样本中的红色印泥指纹在多光谱成像系统的操作下, 能排除淡黄色、红色报纸背景的双重干扰, 特别是红色栏目字背景与红色印泥指纹能被很好地区别开来, 生成特征明显白底灰指纹图, 指纹纹路清晰完整, 见图11、图12。

实验1中粗糙红色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强, 实验2中红色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强以及实验3中光滑红色卡纸表面暗红色果汁指纹的显现增强实验, 均表明, 虽然指纹颜色与背景颜色相同或相似, 但由于红色印泥或暗红色果汁均与红色背景的成分不同, 所以两类物质像点光谱曲线必然不同, 应用分类方法, 多光谱成像仪能将指纹和背景呈现出较大的反差, 达到指纹显现的理想效果。相似地, 实验1中粗糙淡蓝色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强, 实验2中黄色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强也表明, 由于指纹与背景的成分、颜色均有较大差异, 所以样本在多光谱成像仪的分析下所得出的光谱曲线存在着十分明显的差异, 模糊指纹更易于得到清晰显现。

实验4中《江苏警官学院院报》纸上红色印泥指纹的显现增强表明, 采用去混合的分析方法, 复杂背景表面的指纹虽然已经得到显现, 但是效果较微弱, 指纹显现并不是十分理想。实验中需要时刻调整各成分物质颜色的赋值, 使指纹与复杂背景形成强烈的反差, 从而去除背景, 使指纹清晰可见。

大量实验证明, 颜色赋值要有所选择, 需要经过不断的调整和总结进行校准以获取指纹显现的最佳效果。

同时, 实验人员还可以发现, 多光谱成像系统能够广泛应用于检验未经处理的潜在指纹, 无论对渗透性客体表面潜在指纹的显现, 还是对非渗透性客体表面潜在指纹的显现, 多光谱成像系统均显示出突出的优势。

4 实验结论

在实验过程中, 实验人员成功运用了分类及去混合两大分析方法和卤钨灯均匀照明方法。分类分析方法操作简单、方便, 对于肉眼难以分辨的同种颜色不同物质有较灵敏的区分效果[5], 适用于显现单色客体表面潜在指纹, 分析结果直观, 说服力很强;去混合分析方法可克服系统自带软件自身的缺陷, 对复杂客体表面潜在指纹进行较为理想的分析, 虽然对操作具有较高的要求, 但分析结果精确, 特别对显现模糊指纹有较好的效果。卤钨灯均匀照明方法能最大限度地减少物质反射光空间分布差异对光谱特征的影响[6], 增强实验效果。

多光谱成像系统可以对多种渗透性或非渗透性客体表面潜在指纹进行显现增强。从指纹的显现时间、精确度、利用率等方面考虑, 利用多光谱成像系统分析指纹较传统指纹分析方法体现出巨大优势。因而, 多光谱成像系统的出现使指纹分析技术变得更为科学精准, 大大推动了刑事科学技术的发展。

摘要：为了弥补传统指纹显现方法的不足, 最大限度地提高指纹的采集率和利用率, 实验人员利用多光谱成像系统对指纹进行分析研究。在实验过程中, 实验人员成功运用了分类及去混合两大分析方法和卤钨灯均匀照明方法, 利用多光谱成像系统对不同颜色的粗糙单色卡纸表面红色印泥指纹、不同颜色的单色透明塑料板表面红色印泥指纹、光滑红色卡纸上暗红色果汁指纹和院报报纸表面红色印泥指纹这四类指纹进行显现增强, 所获得的指纹纹路清晰完整, 富有特征, 取得了良好的实验效果。因而, 多光谱成像系统的出现使指纹分析技术变得更为科学精准, 大大推动了刑事科学技术的发展。

关键词：多光谱成像,去混合方法,分类方法,显现,增强

参考文献

[1]岳桢干.美国Chem Image公司制成用于指纹分析的高光谱成像系统[J].红外, 2009, 12:44.

[2]孟庆霞, 李洪, 庞其昌, 王玮东.可视多光谱指纹检测系统设计[J].暨南大学学报:自然科学版, 2005, 26 (5) :1000-9965 (2005) 05-0642-04.

[3]王桂强.光谱成像检验技术[J].刑事技术, 2004, 1:7-12.

[4]王桂强.刑事影像新体系[J].刑事技术, 2003, 5:30-35.

[5]黄威, 王桂强.光谱成像在物证检验中的初步实验研究[J].刑事技术, 2006, 2:3-7.

成像光谱 篇9

关键词：AOTF,光谱成像,衍射效率,滤波器

声光可调滤波器 (AOTF) 作为一种利用声光原理的新型分光器件, 具有体积小、扫描速度快和衍射效率高等优点, 在航空、工农业等领域获得了很好的应用。但声光可调滤波器在应用中也存在一定的问题, 比如因Te O2材料的色散引起的图像模糊和图像漂移等问题。本文对声光可调滤波器的光谱成像数值进行了模拟分析, 目的在于通过对比分析提高声光可调滤波器的调谐精度和调谐速度, 从而提高信号检测的信噪比。

1 声光可调滤波器的光路设计

声光可调谐滤光器在应用中的重要环节之一是对光路系统的设计, 其要求是尽量提高光谱分辨力和光谱信噪比, 但也要保证系统的衍射光光谱纯度和衍射效率。本文在运用双偏振法的基础上对设计方法进行了改进, 分光系统如图1所示。对于光源产生的自然光通过准直系统的校正, 经过起偏器后自然光变成偏振光, 再由声光可调谐滤光器的声光互作用后, 出射光分为0级光以和±1级衍射光。

2 数值模拟试验的设计

2.1 光源的选择

声光可调谐滤光器的工作范围为900~1 500 nm, 而本试验要求光源的波长范围较广。为了避免光源损坏探测器, 光源的强度不能过高, 因此, 本试验选取了卤钨灯, 其特点是在近红外波长范围内比较敏感。

2.2 准直系统与检偏器

考虑到要减少光强的损耗, 本试验选取K7平凸准直透镜作为准直系统, 其优点是对可见光、近红外光的透过率均较好。为了获得满足试验需求的偏振光, 选择了起偏波长为760 nm~2 000 MQ的近红外偏振片。

2.3 试验方案

试验采用的光源为钨灯, 产生的自然光作为试验光源, 入射光经准直透镜准直。为了尽量避免0级光对试验结果造成影响, 将1组透镜分别放置在光轴的上、下部分, 使通过声光作用的衍射光直接经过透镜组聚在检偏器上。这样可提高衍射光的利用率, 降低杂光的污染, 从而提高微弱信号检测的信噪比。当光在近似水平方向入射时, 调谐频率为58 MHz, 输出波长为1 205 nm。通过公式计算衍射角, 可得到Te02晶体的折射率no=2.18, ne=2.32, 因此, θd=19.8°。

透镜组中心在轴上高度H=tanα·f=24.2 mm处, 进而可得出放置在光轴上、下部分的透镜组的距光轴为4.2 mm, 相距8.4 mm, 在调节光路的实际过程中可忽略不计。利用组合透镜的计算公式可求出透镜组的焦距, 已知d=20 mm, 则f1'=f2'=150 mm。

3 试验结果

为了对本系统的光谱强度性能进行分析, 本文选择调谐频率为58 MHz、应波长为1 204 nm进行了三组试验。第一组为正常光照强度下直接测量;第二组为利用双偏振法消除0级光, 进而测量光谱强度;第三组为本试验介绍的试验光路测量。三组试验的峰值都出现在1 204 nm附近, 即在58 MHz的驱动信号下的衍射波长。在第一组正常的分光系统中, 峰值在220左右, 说明光能通过该系统后的能量损失较少;在第二组双偏振法分光系统中的峰值在115左右, 能量损失严重, 只有在正常系统中52.2%的能量被利用;第三组为本文设计的光路, 峰值达到148左右, 与未经该改进的正交双偏振法分光系统相比, 能量提高了28.6%.与除1 205 nm附近以外的曲线进行对比可发现, 无论是双偏振法的分光系统, 还是试验所改进的分光系统, 在抑制杂光污染等方面都有很大提升。

参考文献

成像光谱 篇10

一、分色摄影的原理及作用

分色摄影本身就是刑事物证摄影六大种类中的一种, 参照中华人民共和国公共安全行业标准《刑事照相、录像词汇》中的界定, 所谓分色摄影是在可见光范围内, 利用分光装置有目的选择成像光波段的专业技术[4]。这项技术从1908年柏林警察局用彩色照相机在凶杀案现场成功拍照红地毯上的清晰血迹算起, 已有100多年历史, 随着不同介质的滤色镜和不同波段的多波段光源的发明使用, 分色摄影技术逐步走向更加便捷、成熟和完善[5]。

我们知道, 大千世界万事万物的色彩都是由红、黄、蓝这3种原色光组成, 也就是通常所称的三原色原理。分色摄影利用三原色不断变化叠加, 产生单一色光去照射多元素组成的被摄客体, 不同元素对单一色光的吸收和反射是有差异的, 按照“同色通过, 异色吸收”的原理, 被摄主体在单一色光的照射下会呈现不同的亮度差, 且这种亮度差随单一色光波长的变化而变化, 选用光谱成分不同的色光进行成像记录, 达到“增感”或“减感”效果, 就可得到所希望的亮度分布差异明显的照片[6]。过去通常的办法是在相机镜头前或者在光源前加装红色、绿色、黄色、蓝色等各种滤光镜, 但选择什么样的滤光镜能将所需要的光谱和图案“分开”, 只能凭摄影者现场判断, 还依然是一种凭经验办事, 准确性、客观性和效率都得不到保障。如今绝大多数分色摄影已不再需要通过加装物理滤光镜, 而是指采用相机自带的“优化校准”下的“滤镜效果”中的功能进行模拟分色摄影, 这是数码相机常用的分色摄影技术, 技术简单易行, 快速有效。

作为刑事物证摄影中的一个重要类别, 分色摄影对于侦查破案提供线索、案件审判定性提供证据有极大帮助, 包括进行痕迹检验、显示难读字迹、区分伪彩色、加强某些痕迹、字迹的反差、显示被掩盖的字迹或照片上影像、鉴别物质异同等, 尤其是在显现消褪、涂抹和模糊的字迹、指纹、足印等, 辨别伪造文件、票证方面有非常独特的作用[7]。因三原色的波长 (λ) 差异显著, 红色波长约600-700毫微米 (nm即纳米) , 而黄色λ=500-600nm, 蓝色λ=400-500nm, 通过单一色光的吸收或反射客体, 增加和减弱物体上某种颜色, 就能从而显现出肉眼难以区别或者反差不明显的细微特征, 用于比较检验。

二、光谱成像的原理及功效

光谱成像 (spectral lmaging) 技术是利用多个光谱通道进行图像采集、显示、处理和分析解释的技术[8]。任何物证都有不同的色彩, 表面都可构成不同的光谱曲线, 分色摄影借助于滤光镜或相机上的“优化校准”装置, 在可见光下通过单色光可将潜在痕迹进行加强显现, 形成能清晰区分的图片;光谱成像组合了光谱技术和数字成像技术, 其装置由液晶可调波长滤光镜、数字CCD照相机、照明光源和计算机及专用软件构成。经光谱检验得到被检验物体的窄波段单色光的反射光或荧光亮度分布影像, 通过分色摄影, 将微弱和潜在痕迹显示出来, 得到清晰的物证照片, 其过程如图1所示。

由此可见, 光谱成像的原理与分色摄影的原理基本一致, 不同的在于分色摄影凭借滤光装置以单色光去增强或减弱检材物中的色彩, 在可见光下, 依靠相机直接获取分辨信息, 而光谱成像要利用波长光谱区分检材物中的某一特征色彩、形体轮廓和形象, 既可在可见光下进行, 也可红外线或短波紫外线等光源照射分辨被检验物体, 需要应用多种设备分步骤记录被检物体在很宽光波范围内的亮度信息, 最后才能形成能够最有效反映物体证据和侦查价值信息的图像[9]。

光谱成像虽然操作复杂、对设备要求也较高, 但由于其不受照明光源和条件限制, 且根据光谱波段透过滤光镜依次到达CCD感应器, 最后应用计算机进行分析, 其检验范围更广, 形成的图像更清晰、细致, 检验结论更准确, 在刑事物证摄影中的作用非常大, 不仅在各种颜色的文件、图案、图表、票证、照片等物体影调变化上能“明察秋毫”, 而且在提取汗液、油脂、灰尘、足印、血迹、指纹和人体皮肤損伤等刑事案件中常用痕迹方面有独特功效。

三、应用体会

分色摄影与光谱成像在刑事物证摄影中的应用不仅有雄厚的理论基础, 而且在刑事检验工作实践中也会经常应用, 并产生了积极的帮助和促进效果。

(一) 分色摄影的应用

分色摄影是刑事物证摄影中最常用的手段, 尤其是在现场提取犯罪嫌疑人或其它相关人员的指纹和足迹时, 能及时迅速地完成取证工作。如我市某小区2005年12月发生了一起入室抢劫杀人案, 犯罪嫌疑人是攀爬窗户而进入房间, 室内一名老人已遇害, 由于犯罪嫌疑人反侦察能力较强, 现场留下的作案线索非常少, 加上现场破坏较大, 侦察人员经过认真细致的反复勘查, 终于在窗户旁的红色木质柜子上发现了一枚足迹, 但遗留足迹的痕迹非常淡, 加之背景为深色的红色, 正常拍照取证获得的足迹非常模糊 (图2) 。在此情况下, 我们架好三脚架, 固定一台尼康D700数码相机, 关闭室内其他光源, 在无杂散光的条件下, 使用足迹灯以掠入射照明方式布光, 使光照范围大小覆盖搭个足迹, 然后将相机参数调整为拍摄菜单———设定优化校准———单色———滤镜效果———G, 进行分色摄影, 最后成功获得了一张反差较大、细节特征清晰的足迹照片 (图3) 。最后通过这张足迹照片, 确定了作案人的身高、体重、走路姿态等重要特征, 并很快将犯罪嫌疑人捉拿归案。

在这一实例中, 我们体会到一是分色摄影在刑事物证摄影中应用非常广泛, 对刑事侦察破案和取证有很大帮助作用;二是进行分色摄影并非一定要加装滤光镜, 也可用相机上的“滤镜效果”功能进行模拟分色摄影;三是采用数码相机直进行分色摄影, 入射光线只能以接近90°的光线入射, 以防地板、墙壁产生漫反射光进入相机镜头, 降低显现效果[10]。

(二) 光谱成像的应用

现代高端的光谱成像系统需要使用液晶调变式滤光器及相关专用软件进行可以在使用的成像波长范围之内, 精细区分仅有细微差异的同色异谱现象。但这种系统由于体积大, 价格昂贵和成像波长范围有限, 刑事物证摄影的现场应用极少。但在工作实际中, 通过对普通数码相机进行一定改造, 仍可记录物体一系列不同波长的射线影像, 现实光谱成像。利用普通数码相机进行光谱成像多用于以下一些刑事物证摄影: (1) 现场生物物证的发现; (2) 不同目标信号和背景下提取指纹; (3) 消除印油捺印指印下签字笔字迹背景, 检验潜在手印, 进行文字墨迹识别; (4) 检验消退、模糊的传真纸、热合打印和复印纸字迹; (5) 鉴别不同种类纤维; (6) 血液年龄的鉴定[11]。2015年6月, 我局在侦破一起诈骗案件时, 需要在一张单据上提取指纹, 我们利用普通数码相机进行光谱成像在不同的波长范围拍摄了5张图片, 如图4所示光谱检验如图4所示。

较显示, 在λ=335nm时反射光强度差别较大, 我们以此作进一步处理后终于提取到一枚非常清晰和完整的指纹, 以此很快破案, 并作为给犯罪嫌疑人定罪的重要物证。见图6。

我们体会, 一是利用普通数码相机进行光谱成像, 波长的响应范围要进一步扩宽, 短波可扩展到200nm, 相机镜头前加用240nm—300nm的紫外线滤镜, 甚至可拍到白色文字;二是用于改装成光谱影像的数码相机, 其像素需要在2000万以上高方可拍得高度清晰的影像;三是必要是与显微镜连接, 形成显微光谱成像;四是在处理显现被掩盖、漂洗、烧焦字迹, 或加强模糊印章印文时, 可对比荧光效果和光谱成像效果, 更有利于发现细节和找准特征[12]。

四、结语